КОЛЛИЗИЯ ПАКЕТОВ В СИСТЕМЕ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРОТОЧНЫХ ВОД

PACKET COLLISION IN THE DATA TRANSMISSION SYSTEM OF ENVIRONMENTAL MONITORING OF FLOWING WATERS

Maria Elistratova

student, Pacific National University,

Russia, Khabarovsk

Danila Kudelsky

student, Pacific National University,

Russia, Khabarovsk

Yulia Naumova

bachelor, Pacific National University,

Russia, Khabarovsk

Nikolay Sorokin

scientific supervisor, candidate of technical sciences, associate professor of the department of computer engineering, Pacific State University,

Russia, Khabarovsk

Denis Vegera

scientific supervisor, senior lecture of the department of computer engineering, Pacific National University,

Russia, Khabarovsk

АННОТАЦИЯ

Повышенное содержание тяжёлых металлов в проточных водах негативно отражается на живых организмах. Для осуществления контроля состояния объекта используется система экологического мониторинга, которая собирает данные измерений с датчиков, обрабатывает и передаёт в центр мониторинга. Но, так как периодичность измерений различна для разных тяжёлых металлов, то при передаче данных по одному каналу может возникнуть коллизия пакетов. В данной статье рассмотрены методы её обнаружения и возможные решения проблемы при помощи программно-технических средств.

ABSTRACT

The increased content of heavy ls in flowing waters negatively affects living organisms. To monitor the condition of the facility, an environmental monitoring system is used, which collects measurement data from sensors, processes and transmits it to the monitoring center. However, since the frequency of measurements is different for different heavy ls, a packet collision may occur when transmitting data over the same channel. This article discusses the methods of its detection and possible solutions to the problem using software and hardware.

Ключевые слова: экологический мониторинг, система сбора, передачи и хранения данных, проточные пресные воды, многофункциональные датчики-анализаторы воды, коллизия пакетов.

Keywords: environmental monitoring, data collection, transmission and storage system, flowing fresh water, multifunctional sensors-water analyzers, packet collision.

Введение

Экологический мониторинг - система контроля, постоянно отслеживающая состав и качество какой-либо среды и достоверно предоставляющая данные об этих наблюдениях в указанной точке с заданной периодичностью. Система экологического мониторинга водных ресурсов должна определять концентрации не одного тяжёлого металла. С подобным условием неизбежно наступит ситуация, когда время передачи данных с двух или более датчиков совпадёт и появиться ошибка - коллизия пакетов.

В данной статье рассматривается проблема коллизии пакетов в условиях передачи измерений с разной периодичностью по одному каналу связи.  Предложены методы решения задач по обнаружению и исключению возможного возникновения коллизий пакетов, при помощи расчетных и программно-технических средств.

Система экологического мониторинга проточных вод

Сильное негативное воздействие на живые организмы оказывают следующие металлы: медь (Cu), марганец (Mn), кадмий (Cd), цинк (Zn), свинец (Pb), мышьяк (As), ртуть (Hg). Дополнительно, необходимо измерять жёсткость воды и её температуру.

Контроль содержания тяжёлых металлов в проточных водах реализуется системой экологического мониторинга проточных вод (рисунок 1).

Рисунок 1. Система экологического мониторинга проточных вод

В её состав входят: мультипараметровые измерители, каналы передачи данных, центр мониторинга. Мультипараметровые измерители необходимы для сбора результатов измерений, формирования блока данных и пакетной передачи, обработки и хранения. Передачу информации от сервера измерителей в центр мониторинга осуществляют каналы передачи данных. В центре мониторинга полученные данные обрабатываются, накапливаются, распределяются и отображаются пользователям соответственно. Описанная система экологического мониторинга измеряет концентрации 7 тяжёлых металлов, температуру и жёсткость воды и передаёт по одному каналу передачи данных. Для каждого из исследуемых параметров существуют собственная оптимальная периодичность измерений.

Определение времени наступления коллизии пакетов

Коллизия пакетов представляет собой явление, при котором на станцию приема одновременно приходят несколько пакетов, наложенных друг на друга, из-за не распределенной передачи, наличия задержки в среде распространения сигнала или неисправности сети.

В случае возникновения данной проблемы велика вероятность потери данных, увеличение времени передачи, удлинение пакета и изменение контрольной суммы, что также приводит к некорректной работе системы.

В системе экологического мониторинга локальным местом сбора и обработки данных для отправки выступают мультипараметровый датчик, анализатор воды, связанный с устройством приема и обработки данных (УПО) через кабель, например, RS-485 (рисунок 2).

Рисунок 2. Структура системы экологического мониторинга проточных вод

Такой датчик способен предоставлять данные о концентрациях различных тяжёлых металлов, температуре и жёсткости воды. Так измеряемые датчиком параметры имеют разные свойства и, соответственно, разную динамику изменения. Нет необходимости измерять и отправлять данные о медленно меняющихся параметрах каждый раз при измерении быстро меняющихся параметров. Так, отправленные по каналу связи измеренные данные имеют различную периодичность в зависимости от скорости изменения концентрации тяжелых металлов. Допустим, первый датчик отправляет данные каждые X единиц времени, второй датчик каждые Y, третий – Z единиц времени. При условии, что время сбора данных и формирование их для отправки входят в вышеуказанные единицы времени.

Пусть канал связи имеет задержку V единиц времени. Тогда общее время передачи до УПО для каждого датчика равняется:

T₁ = X+V, T₂ = Y+V, T₃ = Z+V.

Исходя из данных выражений, коллизия пакетов наступит при условии:

T₁ = T₂ || T₁ = T₃ || T₂ = T₃ || T₁ = T₂ = T₃

Также для расчета поставленной задачи можно применить иной метод определения времени наступления коллизии. По данному методу для каждой пары исходных временных значений датчиков и задержек рассчитывается наименьшее общее кратное (НОК). НОК для нескольких чисел – это число, которое делиться без остатка на каждое из этих чисел.

Из полученных пар находится НОК – это будет значение, при котором произойдет совпадение по времени.

Для нашего случая и исходных данных:

НОК(X+V, Y+V) = W₁;

НОК(X+V, Z+V) = W₂;

НОК(Z+V, Y+V) = W₃;

НОК (W_1, W_1, W₁) = T,

где Т – время наступления коллизии.

Средства решения проблемы коллизии пакетов

С развитием систем передачи данных появилось множество различных технологий решения проблемы коллизий пакетов. Например, использование многоканальной передачи, защитных интервалов, специальных протоколов для обнаружения коллизий и др.

Многоканальная передача позволит создать собственные каналы связи для каждого датчика, что исключит наложение пакетов при передаче. Но следует учитывать, что при использовании различных технологий уплотнения каналов усложняются аппаратно-технологические средства и увеличивается их количество, наблюдается рост уровня шума в каналах, возникает межканальное влияние при превышении мощности сигнала.

С помощью защитных интервалов исключается потеря данных, так как появляется возможность передавать и принимать пакеты с заранее определенным временным интервалом. Для реализации данного метода требуется внутренняя строгая синхронизация, что затруднит построение оборудования для организации работы системы. Также из-за задержек, которые составляют основу реализации данного метода, увеличивается время передачи данных.

Возможность использования специальных протоколов, позволяет исключить возникновения коллизий пакетов.

Так как структурная схема экологического мониторинга подразумевает использование для передачи по сети Ethernet протокол TCP, по кабелю RS-485, одним из актуальных вариантов обеспечения без коллизионной связи в заданной системе передачи данных - открытый коммутационный протокол Modbus.

Modbus – широко применяемый коммуникационный протокол, который основан на архитектуре ведущий-ведомый. Используемые интерфейсы для передачи данных: RS-485, RS-422, RS-232, также Ethernet TCP/IP сети.

Архитектура ведущий-ведомый является моделью взаимодействия устройств в телекоммуникациях, информационных, а также вычислительных системах. В этой модели существует главное устройство (ведущее) осуществляющее управление подчинённым устройством (ведомым) или их группой.

Протокол Modbus для определения достоверности принимаемых данных использует такие методы как: контроль бита четности при передаче каждого байта; ведет подсчет и сравнение контрольной суммы (Cyclical Redundancy Checking).

Обмен данными между устройствами посредством протокола происходит с помощью регистров, которые делятся на входы (только чтение) и выходы (чтение и запись).

К преимуществам Modbus можно отнести: простоту реализации, диагностики, отладки; высокую скорость внедрения; нетребовательность к ресурсам, а также высокую надежность и достоверность передачи данных; универсальность и открытость.

Недостатками протокола являются: отсутствие аутентификации и шифрования передаваемых данных, из-за чего возникает необходимость настройки VPN-тоннелей; спецификация существует только для ограниченного набора типов данных; не поддерживается режим multi-master для интерфейса RS-485.

Финансирование.

Исследования проводились при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках НИР № гос. рег. гос.з. АААА-А20-120021490002-1.

Список литературы:

1. Елистратова М.А., Кудельский Д.А., Наумова Ю.А. СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПО ИЗМЕРЕНИЮ КОНЦЕНТРАЦИЙ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРОТОЧНЫХ ВОДАХ // Студенческий: электрон. научн. журн. 2022. № 8(178).
2. Федеральный закон РФ от 21.07. 2014 № 219 - ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об охране окружающей среды» и отдельные законодательные акты Российской Федерации». // Собрание законодательства РФ - № 30 - 2014. - пункт 4220.
3. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебник для ВУЗов. СПб.: Питер, 2004. 2-е изд.
4. Сторожок Е.А. УСТРАНЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ КОЛЛИЗИИ В СЕТЯХ ETHERNET // АЛЬМАНАХ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ 2009. №12-1.